2000 MPa热成形车门防撞梁开发与性能研究

2023年12月14日发(作者：10万左右大众suv途锐)

AutomobileTechnology&Material汽车工艺与材料2000MPa热成形车门防撞梁开发与性能研究段宏强韩志勇王斌（爱驰汽车（上海）有限公司，上海200090）摘要：为了满足纯电动汽车车身的轻量化需求，采用新型2000MPa热成形钢替代传统22MnB5进行车门防撞梁的轻量化设计。为验证2000MPa热成形车门防撞梁的应用可行性，采用LS-DYNA软件对整车进行侧面碰撞仿真分析，结果显示碰撞侵入量、侵入速度和关键零部件的塑性应变均符合设计要求。经热冲压仿真分析，2000MPa热成形车门防撞梁符合工艺要求，软模和硬模阶段研究了不同的加热设备和工艺参数对2000MPa热成形车门防撞梁组织和拉伸力学性能的影响，结果显示加热温度930℃，保温时间300s和330s，转移时间约12s，可实现热成形后的抗拉强度≥2000MPa的性能目标。将前后车门防撞梁分别置于万能试验值力大于29kN，远高于10.01kN的设计目标值。经过2000MPa热成形车门防撞梁和车门内板的点焊工艺参数优化和连接设计优化，满足了前后车门系统的开闭耐久性能要求。在保证整车侧碰安全性能的情况下，2000MPa热成形车门防撞梁比采用传统22MnB5质量减轻11.7%，实现显著的轻量化效果。关键词：2000MPa中图分类号：U465.1热成形车门防撞梁轻量化DOI:10.19710/.1003-8817.20200447文献标识码：B机上进行零件三点弯曲性能检测，结果显示前车门防撞梁三点弯峰值力大于25kN，后车门防撞梁三点弯峰DesignandPerformanceResearchon2000MPaHotFormingDoorImpactBeamDuanHongqiang,HanZhiyong,WangBin（AiwaysAutomotive(Shanghai)Co.,Ltd.,Shanghai200090）Abstract：Inthisresearch,anovel2000MPahotformingsteelisusedtoreplacetraditional22MnB5forlightweightdesignofdollisionsimulationanalysisisconductwithLS-DYNAtoverifytheapplicationfeasibilityof2000MPahotformingdoorimpactbeam,whichshowsthattheintrusionvelocity,intrusiondisplacement,2000MPahotformingdoorimpactbeamisprovluenceofdifferentheatingequipmentandprocessparametersonmicrostructureandtensilemechanicalpropertiesisinvestigatedduringultshowsthattensilestrengthtargetexceeding2000MPaisachievedbyheatingat930℃ntandreardoorimpactbeamareplacedultindicatesthatpeakforceoffrontdoorimpactbeamexceeds25kN,andthatofreardoorimpactbeamexceeds29kN,ningandclosingdurabilityrequirementsoffrontandreardoorsystemaresatiicantlightweighteffectof11.7%iseventuallyachievedby2000MPahotformingdoorimpactbeamcomparedwithtrads:2000MPa,Hotforming,Doorimpactbeam,Lightweight作者简介：段宏强（1991—），男，硕士学位，研究方向为汽车用高强钢、铝合金材料的开发及应用。参考文献引用格式：参考文献引用格式：段宏强,韩志勇,王斌.2000MPa热成形车门防撞梁开发与性能研究[J].汽车工艺与材料，2021（4）:,HANZ,andPerformanceResearchon2000MPaHotFormingDoorImpactBeam[J].AutomobileTechnology&Mate?rial,2021（4）:33-39.·34·汽车工艺与材料第4期1前言近年来，随着对国家能源安全问题和节能减排需求的日益重视，新能源纯电动汽车已经成为汽车领域发展的趋势[1]。对于纯电动汽车，一方面动力性能和续航能力一直是技术焦点，其中整车的质量是重要的影响因素[2]，因此轻量化技术，包括轻量化材料、轻量化结构和轻量化工艺的研究和应用对于纯电动汽车显得尤为重要。另一方面，纯电动汽车由于大量动力电池布置于车身下方，乘员安全和电池安全的碰撞安全性能十分关键[3]。据国外相关调查统计显示，在各类交通事故中，由于侧面碰撞所导致的死亡占比约30%，仅次于正面碰撞。侧面碰撞相比正面碰撞，缺乏足够的空间来进行溃缩吸能设计，因此侧面碰撞在交通事故中尤其危险[4]。车门防撞梁作为侧面碰撞防护系统的重要部件，兼顾轻量化和安全性能的设计和开发，具有十分重要的意义。针对一款全新开发的纯电动SUV车型AiwaysU5形钢，的车门防撞梁，结合轻量化的结构设计，采用超高强度的通过热冲压仿真分2000MPa热成析和整车碰撞仿真分析完成零部件的设计。通过3金相组织分析以及零件三点弯性能分析，种热成形工艺参数的样件试制、力学性能分析、完成同时满足安全性能和轻量化目标的2000MPa热成形车门防撞梁的开发和应用。2车门防撞梁轻量化设计2.1材料选择随着汽车行业的发展，各种新材料和新技术不断应用到车门防撞梁生产，如铝合金挤压型材车门防撞梁、碳纤维增强复合材料（CarbonFiberRein?forced梁、超高强钢车门防撞梁Polymer,CFRP）和铝合金混合结构车门防撞[5]、热冲压铝合金车门防撞梁[6]、玻璃纤维复合材料车门防撞梁[7]等。其中铝合金和CFRP材料由于高昂的材料成本和开发费用，仅在少量豪华运动品牌车型上有应用案例，市场主流品牌车型的车门防撞梁还是以高强钢材料为主[8]。热成形材料由于其更高的性价比优势、超高的强度、易于成形和尺寸控制等优点，相比于传统钢管和支架设计，可以实现成本、模具数量和质量的降低[9]。长期以来汽车行业广泛应用的热成形材料为22MnB5更高强度的热成形材料是重要的发展方向热成形钢，抗拉强度通常在1500MPa[10-11]左右，。为进一步实现车门防撞梁的轻量化设计，本研究采用一种新型超高强度的34MnB5V热成形材料。该种新材料相比传统22MnB5热成形钢，在C含量（质量分数）由0.22%增加至0.34%的同时，添加0.11%~0.30VC%的析出粒子的晶粒细化和析出强化作用，V，成分如表1[12]中所示。通过C含量的提高，抗拉强度可达到2000MPa以上，同时保持良好的塑性、弯曲断裂应变[13]及焊接性能。表134MnB5V热成形钢的化学成分（质量分数）[12]%34MnB牌号C0.030Ti0.0025B0.11~Fe2.25V0.340.32Si1.39MnV结构设计0.30余量目前车门防撞梁常见的截面形状有圆形（车门防撞杆）、U形、W形等，由于W形截面两侧凸起和中间凹陷部分能够更好地吸收侧面碰撞能量[14]，同时可以取消圆形截面防撞梁的安装支架，带来良好的轻量化效果[9,15]。本研究中的前后车门防撞梁的截面形状均设计为W形，车门防撞梁本体直接与车门限位器加强板和车门内板采用点焊连接，与车门外板采用减震胶连接，无额外的安装支架设计，如图1中所示。由于车门防撞梁选用2000MPa的超高强度热成形钢，相比于采用22MnB5的基础设计方案，材料厚度由1.6mm减薄到1.4mm，实现前车门防撞梁减重0.46kg，后车门防撞梁减重0.43kg，整车减重0.89kg，减重比例达11.7%，实现了良好的车门防撞梁轻量化设计。图1前后车门防撞梁结构与连接设计3车门防撞梁侧碰分析将2000MPa前后车门防撞梁搭载整车数据汽车材料年会段宏强等：2000MPa热成形车门防撞梁开发与性能研究·35·进行AEMDB侧碰仿真分析，选用的材料模型屈服强度为1415MPa，抗拉强度为2010MPa，延伸率为5.8%。按照CNCAP五星碰撞要求评价侵入量和侵入速度，结果如表2中所示，侵入量和侵入速度满足目标值要求。表2位置B柱顶部B柱底部B柱胸部B柱腹部B柱骨盆前门胸部40ms前≤前门腹部7.5m/s前门骨盆后门腰线40ms前≤后门门锁7.0m/s后门下部侧碰侵入量和侵入速度侵入速度结果/m·s-16.146.524.824.564.434.984.724.474.804.204.06侵入量目标/mm≤25≤40侵入量结果/mm21.7386.0363.4355.1487.3891.8674.7436.4731.8950.588.47理，其中前车门防撞梁的应变为3.2%，后车门防撞梁的应变为1.8%，B柱加强板的应变为11.0%，关键件应变在可控范围内，结合试验判断，满足侧面碰撞安全要求。44.1车门防撞梁工艺与性能热冲压工艺分析为确定2000MPa车门防撞梁设计方案的热冲侵入速度目标压工艺可行性，由东风实业有限公司进行热冲压仿真分析，板料初温为930℃，环境温度20℃，料厚1.4mm，缺乏2000MPa热成形钢的材料卡片的情况下采用22MnB5的材料模型进行分析，结果显示前后车门防撞梁的减薄率和起皱符合要求，热成形后的温度分布合理，分别如图3和图4中所示。4.2软模工艺与性能2000MPa车门防撞梁软模阶段在湘潭天汽模40ms前≤7.0m/s≤120≤120≤120≤120≤120≤120≤120≤120≤120采用箱式加热炉进行样件试制。从试制样件本体服强度1104MPa，抗拉强度1975MPa，断后伸长率7.24%。经回火处理后屈服强度1450MPa，抗拉强度1890MPa，断后伸长率7.02%，如图5中所示。塑性应变1.095×109.735×108.519×107.302×106.085×104.868×103.651×102.434×101.217×100取样进行拉伸力学性能检测，结果显示热成形后屈对侧碰关键零部件的塑性应变进行分析，结果如图2中所示，车门防撞梁和B柱加强板变形合塑性应变3.238×102.878×102.518×102.159×101.799×101.439×101.079×107.195×103.598×100最大值=3.238×10塑性应变1.789×101.590×101.391×101.192×109.937×107.949×105.962×103.975×101.987×100最大值=1.789×10最大塑性应变0.032最大值=1.095×10最大塑性应变0.11最大塑性应变0.018（a）前车门防撞梁图2-0.066-0.065（b）后车门防撞梁侧碰关键零部件塑性应变（c）B柱加强板-0.064646.7659.0671.8674.5681.3622.0625.5-0.061628.3672.5676.3673.3690.8-0.064（a）减薄率图3前车门防撞梁减薄率和成形后温度分布（b）温度分布/℃·36·-0.066-0.065汽车工艺与材料第4期-0.064646.7659.0671.8674.5681.3622.0625.5-0.061628.3672.5676.3673.3690.8-0.064（a）减薄率图42400工程应力/MPa20040000.020.040.06工程应变/%0.08回火前（b）温度分布/℃后车门防撞梁减薄率和成形后温度分布低，影响拉伸力学性能检测结果的准确性。重新取样并打磨拉伸试样的平行段，进行力学性能检回火后测发现屈服强度和抗拉强度均有一定提高，如表3中31#、32#试样所示。图5软模试制样件材料拉伸力学性能软模阶段热成形后回火处理前力学性能未能达到屈服≥1200MPa和抗拉强度≥2000MPa的技术要求，主要是由于软模试制阶段的箱式加热炉一方面温度均匀性差，料片各处温度相差约30℃，另一方面无保护气氛，裸板材料热成形后脱碳层深度不可控，最终导致软模样件的拉伸力学性能较低，需要在硬模试制结果进行调整优化。4.3硬模工艺与组织性能硬模阶段在天津百事泰汽车科技有限公司采用辊底加热炉先后进行了2轮样件试制，以确定2000MPa车门防撞梁热冲压成形工艺参数。第一轮硬模试制采用910℃的加热保温温度，（c）晶粒度图6硬模样件20μm20μm100μm（a）金相组织（b）脱碳层300s的保温时间，金相组织和脱碳层深度检测结果显示为热成形后为马氏体组织，晶粒度约11.5级，脱碳层深度约16~20μm，如图6中所示。从第一轮硬模试制样件本体取样进行拉伸力学性能检测，取样位置如图7所示。拉伸力学性能检测结果显示第一轮硬模试制样件材料屈服强度为1140～1170MPa，抗拉强度为1890～1910MPa，断后伸长率为7.2%～7.6%，如表3中11#、12#、21#、22#试样所示。未能达到屈服≥1200MPa和抗拉强度≥2000MPa的技术要求，经分析主要由以下2点因素影响。a.拉伸试样采用线切割加工，平行段加工精度11#12#21#22#31#32#图7表3试样编号拉伸力学性能取样位置第一轮硬模样件拉伸力学性能延伸率/%7.27.47.67.47.87.20屈服强度/MPa抗拉强度/MPa汽车材料年会段宏强等：2000MPa热成形车门防撞梁开发与性能研究·37·b.本次试模热冲压成形的合模温度过低，约600压成形加热温度、℃，因此在硬模第二轮试制过程中，加热时间和转移时间工艺参数，控制热冲研究其对热成形后样件力学性能的影响。第二轮硬模试制阶段控制转移时间约12s，分别选择不同的加热温度（910℃和930℃）和保温时间（300s和330s）来进行车门防撞梁样件的制作，具体工艺参数如表4所示。表4热成形工艺参数工艺编号加热温度/℃加热时间/s1#2#9103003#93对采用3种不同热成形工艺参数的车门防撞梁样件取样，按照GB/T13299中规定的方法进行金相组织分析，结果显示3种热成形工艺参数下的金相组织均为马氏体组织，如图8中所示。20μm20μm（a）910℃300s（b）930℃330s20μm（c）930℃300s图8不同工艺参数的金相组织对采用3种不同热成形工艺参数的车门防撞梁样件，按照GB/T228.1对获取的样件进行拉伸力学性能检测，结果如表5所示。可见，910℃加热温度下保温300s时，屈服强度低于1200MPa，抗拉强度也低于2000MPa，而采用930℃加热温度，保温330s和300s时屈服强度均高于1200MPa，抗拉强度均高于2000MPa，断后伸长率也达到了6%以上。表5拉伸力学性能试验结果样件编号屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断后伸长率/%1#2#（910℃300s13#（910℃300s））119014#（930℃330s）116018506.85#（129028606.56#（930℃330s）（930℃930℃300s300s））6.66.31306.36.34.4车门防撞梁三点弯性能分析为评价车门防撞梁零件的三点弯曲性能，取前后车门防撞梁左右件分别进行三点弯曲试验。试验方法为将车门防撞梁样件按要求固定在试验台架上后，使用半径152.4mm的半圆柱体对样件进行施压，试验加载速率为2mm/s，加载位移为150曲线，mm要求位移，试验后观察样件变形情况，0～150mm，载荷需大于并输出载荷10010N-位移。车门防撞梁的三点弯实验结果如图9中所示，其中前车门防撞梁的三点弯峰值载荷在25kN以上，后车门防撞梁的峰值载荷在29kN以上，远大于设计要求的10010N载荷值。30000后门左件后门右件N/荷20000勒前门右件载加10000前门左件040加载位移80/mm120160图9车门防撞梁三点弯载荷-位移曲线4.5车门子系统耐久试验门开闭耐久试验，2000MPa车门防撞梁零件搭载爱驰每一万次一个试验循环，U5一个循进行侧环内存在高低温交变环境，关门速度和玻璃位置的调整，具体如表6和表7中所示。其中，前车门共进行10个循环耐久，后车门共进行6个循环耐久，每个循环结束后需暂停试验进行巡查记录，对于车门防撞梁相关的要求为钣金及焊点无开裂。前车门开闭耐久试验至5.1万次时，左右两侧车门防撞梁和车门内板焊点出现裂纹，10万次试验结束后检查两焊点均开裂。将车门防撞梁和车·38·汽车工艺与材料第4期门内板的焊点数量从4个增加至6个，再次试验5万次时左前车门焊点仍然出现开裂现象，依次如图10所示。表6车门开闭耐久试验条件序号循环次数/次车门玻璃位置环境工况10～2500关闭室温2324501～4半开室温全开室温45001～5000000半开57001～71～～8900065℃关闭关闭79001～100000000℃℃关闭-30℃表7车门开闭耐久试验关门速度序号循环次数/次车门关闭速度120～48001.23445801001～～590009701～107001.5m/s0001.2m/s1.5m/sm/s图10前车门耐久焊点开裂针对焊点开裂问题，首先考虑焊点压痕较深导致应力集中较大，由育材堂(苏州)材料科技有限公司对焊接工艺参数进行优化研究，验证材料采用1.48DC56D+Zmm的搭接组合，镀锌钢板来模拟车门防撞梁和车门内板的2000MPa热成形钢和0.65mm的电极直径6mm，基础方案电极压力4kN，焊接时间20循环（本文中60循环等于1s），优化方案分别为2.5kN，16循环和2.0kN，16循环。结果显示随着压力减小，时间缩短，焊接电流的工艺窗口由2.5kA减小至1.5kA，在焊接窗口内熔核尺寸接近，焊点强度均在3.2～3.7kN之间，焊点失效形式均为母材断裂或熔核拔出，而焊点平均压痕深度检测显示随着电极压力减小，压痕深度降低，如图11中所示，同样9kA焊接电流下，电极压力从4.050kN减小至2.0kN，压力，%。基于此，8.6～8.8爱驰上饶工厂采用焊点压痕深度可以减小约kA的焊接电流，相比车门开闭耐久2.2～2.4kN电极试验车3.6kN和10.2kA的焊接参数，可明显降低焊点压痕处的应力集中。压痕深度395±5μm400μm（a）4.0kN9.0kA压痕深度287±8μm400μm（b）2.5kN9.0kA压痕深度167±6μm400μm（c）2.0kN9.0kA图11不同电极压力下的焊点压痕深度此外，考虑在优化焊接工艺参数的基础上进一步提高设计安全系数，前车门防撞梁和车门内板的连接在6个工艺优化的焊点中间位置增加一道40mm长的结构胶，进行连接结构强化设计，如图12所示，重新制造样件开展车门开闭耐久试验后顺利通过验证。4.6整车侧面碰撞试验首款2A+000级纯电动MPa热成形车门防撞梁应用于爱驰汽车SUV爱驰U5车型，搭载U5整车进行AEMDB侧面碰撞试验后，前后车门变形吸汽车材料年会段宏强等：2000MPa热成形车门防撞梁开发与性能研究·39·能，内部的前后车门防撞梁本体无明显塑性变形，如图13所示，连接支撑车门前后的A柱、B柱和C柱轻微变形，在保障安全的前提下传导能量并吸收，有效保证了内部乘员的生存空间。图12焊点处结构胶加强设计图13侧碰试验后的车门防撞梁5结论对2000MPa热成形车门防撞梁的结构和连接设计、成形与性能仿真分析、工艺参数与性能、零件性能、车门子系统性能以及整车碰撞性能进行了研究，得出如下结论。a.采用2000MPa超高强度热成形钢结合W形的结构设计，车门防撞梁实现11.7%的轻量化效果。b.通过侧碰仿真分析，2000MPa热成形车门防撞梁可以满足侧碰五星目标的侵入量和侵入速度要求，关键件的塑性应变均在安全范围内。c.通过热冲压成形仿真分析，2000MPa热成形车门防撞梁减薄和温度分布等符合工艺要求，经软模和硬模多轮工艺参数优化后，930℃加热温度保温330可实现屈服强度s和300s两种热成形工艺参数下，≥1200MPa，抗拉强度车门防撞梁均≥2000MPa的要求。d.2000MPa前车门防撞梁零部件的三点弯峰值载荷在25kN以上，后车门防撞梁的三点弯峰值载荷在29kN以上，均远远超出10010N的设计目标。e.2000MPa前车门防撞梁与车门内板的点焊连接先后经过增加焊点数量，优化焊接工艺参数，增加结构胶应用的手段进行优化，解决了前车门开闭耐久中的焊点开裂问题。f.整车侧面碰撞试验后，2000MPa热成形车门防撞梁未发生明显的塑性变形，有效保障了整车侧面碰撞的乘员安全性能。参考文献：[1]郝琪,潘文杰,肖琪,等.纯电动汽车侧面碰撞试验及仿真分析[J].机械设计与制造,2019(7):119-122.[2]郭淑颖.纯电动汽车车身轻量化研究[J].吉林工程技术师范学院学报,2019(35):2.[3]李仲奎,夏卫群,秦信武,等.纯电动轿车侧面碰撞安全性能提升[J].汽车科技,2014(1):11-16.[4]赵念文.汽车侧面碰撞安全性能研究[J].汽车实用技术,2019(23):122-123.[5]季多闻,倪建华,羊军.汽车车门防撞梁开发综述[J].上海汽车,2010(11):23-27.[6]JingdefectsZHOU,Bao-yuWANG,Jian-guoLIN,pactbeam[J].gNonferrousofside-doorim?[7]ofTaeChina,2014(24):SociteypositeSeongLim,icallyfastenedcom?signedside-tures,2002(56):actfailurebeamsmodes[J].forpassengerCompositecarsStruc?de?[8]GirishsideMdoorPatil,ign[9]safety[J].HotMing-FuThin-WalledLi,ofTzu-doorShinStructures,impactChiang,beam[J].Jiun-2020(153):ProcediaHauTseng,tiveEngineer?etal.[10]ing,陈鹰2014(81):stamping,董瀚,惠卫军1786-1791.,等.车门防撞梁的热冲压试验研究[J].汽车工艺与材料,2011(6):19-21.[11]曹广祥,常悦彤,程效,等.1800MPa级冷轧热成形钢的应用研究[J].汽车工艺与材料,2020(12):1-4.[12]易红亮,杜鹏举.热冲压成形用钢板、热冲压成形工艺及热冲压成形构件:CN104846274A[P].2015-08-19.[13]易红亮,常智渊,才贺龙,等热冲压成形钢的强度与塑性及断裂应变[J].金属学报,2020(56):429-443.[14]华琰,徐晶,陈新文,等.汽车车门防撞梁结构改进与安全性分析[J].机械工程与自动化,2017(6):1-3.[15]孙晓屿,季钰荣,李娜.车门防撞梁选型策略研究[J].上海汽车,2020(3):58-62.A&MT